Детекторы фотонов и калибровочные системы экспериментов GERDA и ТУНКА тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ
|
Шайбонов, Батор Александрович
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2010
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.01
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
Шайбоное Батор Александрович
Детекторы фотонов и калибровочные системы экспериментов GERDA и ТУНКА
01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
484084/
Москва-2010
1 7 MAP 2011
4840847
Шайбонов Батор Александрович
Детекторы фотонов и калибровочные системы экспериментов GERDA и ТУНКА
01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Москва-2010
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерных исследований РАН.
Научный руководитель:
Доктор физико-математических наук
Лубсандоржиев Баярто Константинович
Официальные оппоненты:
Доктор физико-математических наук
Хренов Борис Аркадьевич (НИИЯФ МГУ);
Кандидат физико-математических наук
Стенькин Юрий Васильевич (ИЯИ РАН)
Ведущая организация:
Институт физики высоких энергий
Защита состоится «_» 3 1. О 3. 2011 201 г.
--
в _часов на заседании диссертационного совета
Д 002.119.01 Института ядерных исследований РАН по адресу: 117312 Москва, проспект 60-летия Октября 7а, тел. (495)135-21-24
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯИ РАН Автореферат разослан «. 2 & 0 2. 2011 201 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук
Тулупов Б.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Фотоника (наука, связанная с излучением, детектированием и распространением фотонов) все больше и больше расширяет свое влияние в экспериментальной физике. Фотонные методы сегодня - это наиболее широко распространенные методы в ядерно-физических экспериментах [Ю.К.Акимов 2006]. Эти методы занимают особое место в космомикрофизических экспериментах. Присутствие фотонных методов или практически всех элементов фотоники в ядерно-физических экспериментах настолько велико, что предлагается по аналогии с ядерной электроникой объединить все эти методы в новую область экспериментальной физики-ядерную фотонику [Б.К.Лубсандоржиев. 2009].
Детекторы фотонов (вакуумные, газовые и твердотельные) являются основным инструментом подавляющего большинства космомикрофизических экспериментов. В свою очередь, везде, где применяются детекторы фотонов, необходимо внедрение в состав экспериментов специальных калибровочных систем для контроля и мониторирования параметров фотодетекторов для получения точных и надежных экспериментальных данных. В состав калибровочных систем обязательно входят элементы фотоники - источники фотонов (лазеры, светодиоды, разрядные источники, черенковские источники и т.д.) и фотонные среды (световоды, оптоволоконные кабели, сцинтилляторы, радиаторы черенковского излучение и т.п.).
Даже в экспериментах, где основными детектирующими элементами служат не детекторы фотонов, а другие типы детекторов, например, полупроводниковые детекторы, не удается полностью обойтись без детекторов фотонов, которые используются в каких-то вспомогательных системах экспериментов. Ярким примером такого использования детекторов фотонов является экспе-
римент GERDA по поиску двойного безнейтринного бета-распада ядер 76Ge, который проводится в подземной лаборатории Gran Sasso в Италии. Одно из основных требований эксперимента - чрезвычайно низкий уровень фона. Выполнение этого требования оказывается невозможным без создания детектора мю-онного вето, позволяющего освободиться от фона космогенного происхождения. В этом детекторе мюонного вето используются детекторы фотонов, ультрачистая вода, сцинтилляторы и спек-тросмещающие оптоволоконные кабели. Кроме того, в детектор инкорпорирована калибровочная система, включающая в себя источники фотонов, оптоволоконные кабели и диффузные рас-сеиватели фотонов. Как видим, в эксперименте GERDA применяются практически все основные элементы фотоники.
Если обратиться к экспериментам, действующим на другом конце энергетической шкалы - например, эксперименты по исследованию первичного космического излучения в области энергий выше 1014 эВ, то мы снова увидим, что практически во всех экспериментах используются детекторы фотонов и другие элементы фотоники. Во многих экспериментах сама атмосфера используется в качестве фотонной среды, как в черенковском эксперименте ТУНКА. В калибровочных системах этого эксперимента применяются источники фотонов и оптоволоконные кабели.
Таким образом, в двух очень разных экспериментах, работающих в различных энергетических диапазонах, очень сильно различающихся по условиям проведения: в первую очередь по фоновым условиям, по условиям окружающей среды и т.д., элементы фотоники или фотонные методы играют ключевую роль. Исследованию детекторов фотонов экспериментов GERDA и
ТУНКА и разработке и созданию калибровочных систем этих экспериментов и посвящена данная диссертационная работа.
Цель работы. Целью настоящей работы являлось разработка и создание измерительных стендов для исследования, тестирования и отбора фотодетекторов эксперимента по поиску двойного безнейтринного бета-распада ядер Ge76 GERDA и эксперимента по исследованию первичного космического излучения ТУНКА, разработка оптического модуля черенковского детектора мюон-ного вето эксперимента GERDA, разработка и создание калибровочных систем данных экспериментов, а также исследование параметров основных элементов этих систем.
Научная новизна и практическая ценность работы. В ходе выполнения настоящей работы были разработаны и созданы оптический модуль и калибровочная система черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA, а также калибровочная система эксперимента ТУНКА. Результаты данной работы активно используются в космомикрофизических экспериментах.
Основные результаты, представленные к защите
Основными результатами, представленными к защите, являются разработка и создание калибровочных систем черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA и эксперимента ТУНКА. Разработка методов исследования, тестирования и отбора основных элементов калибровочных систем и фотодетекторов этих экспериментов.
Апробация работы. Результаты и выводы, содержащиеся в диссертации, докладывались на межрегиональных конференциях по физике космических лучей в г.Москве в 2008 г., на международной конференции по физике космических лучей в 2007 (Ме-рида, Мексика), на международных конференциях по фотодетек-
тированию в 2006г. (Бон, Франция) и 2008г. (Акс-ле-Бан, Франция), на совещаниях коллаборации GERDA.
Публикации. Сущность и новизна исследований, выполненных по теме данной диссертации, изложены в статьях, опубликованных в журналах Приборы и Техника Эксперимента, Nuclear Instruments and Methods А, в трудах Российских и международных конференций по физике космических лучей. Всего по теме диссертации опубликовано 15 работ из них 7 в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Общее количество страниц составляет 153, рисунков - 119 и таблиц - 1. Список литературы включает 103 наименования.
Вклад автора. Автором непосредственно разработаны и созданы измерительные стенды для отбора и тестирования фотодетекторов эксперимента по поиску двойного безнейтринного бета-распада GERDA и эксперимента по исследованию первичного космического излучения ТУНКА. Лично автором проведены исследование, отбор и тестирование фотодетекторов этих экспериментов. При непосредственном активном участии автора разработан оптический модуль черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA. Автором также разработаны и созданы калибровочные системы экспериментов GERDA и ТУНКА, основанные на разработанных автором источниках наносекунд-ных световых импульсов на базе светодиодов высокой мощности. Вклад автора был определяющим в разработке и создании всех элементов калибровочных систем экспериментов GERDA и ТУНКА.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении показывается, что элементы фотоники играют огромную роль в современных ядерно-физических, особенно в космомикрофизических экспериментах. Это детекторы и источники фотонов и фотонные среды. По существу формируется новая область экспериментальной науки - ядерная фотоника, объединяющая все элементы фотоники и фотонные методы, использующиеся в ядерно-физических экспериментах. Обсуждается актуальность, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы. Приводятся основные положения, которые выносятся на защиту, и сведения о том, как данная диссертация прошла апробацию.
В первой главе дается описание детекторов фотонов черен-ковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA по поиску двойного безнейтринного бета распада ядра 76Ge. Эксперимент GErmanium Detector Array (GERDA) ведется для поиска двойного безнейтринного ß-распада ядра 76Ge. Для достижения низкофоновых условий проводится в подземной лаборатории LNGS в Италии на глубине -3400 метров водного эквивалента.
Эскиз экспериментальной установки эксперимента GERDA показан на рис. 1. Несмотря на то, что поток мюонов космических лучей на глубине расположения детектора ослаблен почти в 106 раз по сравнению с потоком на поверхности, мюоны космических лучей вносят существенный вклад в фоновые события. Для эффективного подавления фона, обусловленного мюонами космических лучей, криостат с германиевым детектором окружен водным черепковским детектором мюонного вето. Этот детектор представляет собой бак из нержавеющей стали высотой 9,4 м и диаметром Юм. Объем, образованный внутренними стенками бака и внешней стенкой криостата, заполнен ультра-
чистой водой для пассивной защиты от гамма-квантов и нейтронов и активной защиты от мюонов космических лучей. Общий объем воды в детекторе равен -650 мЗ. Черенковский детектор мюонного вето состоит из 66 оптических модулей на базе фотоэлектронных умножителей ЕТ9350КВ и ЕТ9354КВ с полусферическими фотокатодами диаметром 20 см. Оптические модули устанавливаются на стене и дне водного бака. На рис. 2 показана схема-развертка расположения оптических модулей детектора.
Рис. 1. Эскиз эксперимента GERDA. В правой части рисунка, показаны германиевые детекторы эксперимента
Фотоэлектронные умножители ЕТ9350КВ и ЕТ9354КВ производства компании Electron Tubes Enterprises были выбраны для использования в оптических модулях детектора. Для тестирования, отбора и исследования параметров фотоумножителей разработан специализированный измерительный стенд, успешно эксплуатирующийся на протяжении ряда лет в лаборатории университета г.Тюбинген в Германии. Фотоэлектронные умножители ЕТ9350КВ и ЕТ9354КВ - это фотоумножители с фотокатодом полусферической формы диаметром 20 см. Материал фотокатода
8
Чистая комната
Криостат 70м3 LAr
Медная защита
Водный бак
Германиевые детекторы
- бищелочной K2CsSb, что обеспечивает чувствительность фотоумножителей в области спектра 300-650 нм с максимумом чувствительности при Ятах ~ 360-380 нм. При этом квантовая эффективность в максимуме чувствительности составляет 27-30%. Коэффициент усиления всех фотоумножителей в детекторе устанавливается равным ~ 107. Материал динодов - SbCs3. Эмиттер первого динода дополнительно обрабатывается цезием для увеличения коэффициента вторичной эмиссии а. Это позволило увеличить величину er до 10 и более. Применение высокоэффективных эмиттеров дает возможность достичь высокого коэффициента усиления при относительно небольших значениях напряжения питания ФЭУ. В силу высокого усиления первого каскада данный ФЭУ характеризуется хорошим однофотоэлектронным откликом. В зарядовом спектре однофотоэлектронных импульсов наблюдается четкий пик. Значения отношения пик/ долина этого спектра для исследованных ФЭУ лежат в пределах P/V= 1,6-3,1. Распределение времен пролета фотоэлектронов при однофотоэлектронной засветке фотокатода характеризуется шириной на половине высоты Atfof,m=2,l-3,1 не. Вероятность образования предымпульсов и задержанных импульсов для этих ФЭУ составляет —2% и -5% соответственно. Скорость счета импульсов темнового тока ФЭУ при рабочем напряжении не превышает 10 кГц при температуре в баке -18-19 °С. Вероятность образования послеимпульсов на один фотоэлектрон меньше 10%. На рис.За, б, в и г показаны распределения исследованных ФЭУ по различным параметрам.
О- 90- 160- 270- 360'
Рис. 2. Схема-развертка расположения оптических модулей в водном баке черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA
Фотография оптического модуля детектора, разработанного на базе ФЭУ ЕТ9350КВ и ЕТ9354КВ, представлена на рис. 4. Фотоумножители вместе с делителями напряжения питания фиксируются в кожухе из нержавеющей стали. На внутренней конической части кожуха фиксируется конус из специального сплава с высоким значением магнитной проницаемости ц для экранировки ФЭУ от магнитного поля Земли. Фотокатод ФЭУ закрыт PET иллюминатором. Оптический модуль залит минеральным маслом и герметизирован.
Джиггер, не (FW! IM)
г
, г
Шумы. кГц Послеимпульсы. %
Рис. 3. Распределения измеренных ФЭУ по различным параметрам: отношению пик/долина (а); разбросу времен пролета фотоэлектронов (б); скорости счета импульсов темнового тока при уровне дискриминации сигналов 0,25 СЬфЭ (в); и вероятности появления послеимпульсов на один фотоэлектрон (г)
Рис. 4. Фотография оптического модуля черенковского детектора мю-онного вето эксперимента GERDA
Во второй главе диссертации представлено описание калибровочной системы черепковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA. Калибровочная система детектора состоит из двух частей. В первой части оптические модули детектора засвечиваются через пластиковые оптоволоконные кабели COMAR 01 FS 20 - один кабель для каждого оптического модуля. Оптоволоконные кабели засвечиваются одним источником наносекундных импульсов света, который состоит из ультраяркого светоизлу-чающего диода (светодиода) и формирователя импульсов запуска светодиода. Для этого источника подобран светодиод с высоким световыходом и в тоже время с быстрой кинетикой свечения без медленной компоненты - светодиод YM-BV5S15N с максимумом излучения ^тах = 470 нм. На рис. 5а показана кинетика свечения этих светодиодов при прохождении наносекундных импульсов тока. Диапазон изменения амплитуды светового сигнала составляет 0н-108 фотонов в импульсе. При этом длитель-
Рис. 5. Кинетика свечения источников световых импульсов калибровочной системы черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA: а) - источник света на базе ультраяркого светодиода YM-BV5S15N; б) - источник на основе светодиода высокой мощности LXHL-NB98
Во второй части калибровочной системы предусматривается засветка одновременно всех ФЭУ детектора через воду от одного источника с помощью пяти оптоволоконных кабелей и сферических диффузных рассеивателей света. Четыре рассеивателя подвешиваются на половине высоты бака и на равном расстоянии друг от друга и от вертикальных стенок бака и криостата. Пятый рассеиватель установлен непосредственно под криостатом. Источник световых импульсов основан на синем светодиоде высокой мощности ЬХНЫЧВ98 с формирователем импульсов запуска на базе лавинных транзисторов. Форма светового импульса источника представлена на рис. 56. Длительность светового импульса и световыход источника составляют Д^т = 5 не и ~10и фотонов соответственно.
Длина кабеля, м Длина волны, им
Рис. 6. Зависимости амплитуды световых импульсов от длины кабеля для различных длин волн (а) и коэффициента ослабления сигналов от длины волны (б)
Ослабление световых импульсов при прохождении пластиковых оптоволоконных кабелей сильно зависит как от длины кабеля, так и от длины волны света. На рис. 6а представлены зависимости амплитуды световых импульсов от длины кабеля, измеренные для различных длин волн света. На рис. 66 показано как коэффициент поглощения света зависит от длины волны.
оптоволокно
Оптический цемент + S32
Рис. 7. Эскиз (а) и фотография (б) диффузного рассеивателя света калибровочной системы черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA
Во второй части калибровочной системы оптические модули засвечиваются напрямую через воду. Для этого в объеме бака устанавливаются пять сферических диффузных рассеивателей -диффузных шаров ("diffusing balls"), закрепленных на концах оптоволоконных кабелей. Диффузные шары представляют собой стеклянные сферы диаметром ~5 см, наполненные светорассеи-вающей средой. Четыре диффузных шара устанавливаются в середине бака, а пятый под криостатом в "pill-box". Эскиз и фотография диффузного рассеивателя показаны на рис. 7а и б соответственно. Светорассеивающая среда выполнена на основе стеклянных микросфер S32 (диаметр микросфер - 5 мкм), равномерно распределенных в кремнийорганическом геле. Разработанная технология изготовления таких диффузных рассеивателей света позволяет получить недорогие рассеиватели высокого качества в лабораторных условиях. Уровень изотропности светового излучения после прохождения рассевателя <10%. 5 диффуз-
ных рассеивателей установлены в водном баке черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA.
Рис. 8. Схема расположения детекторов ТУНКА-133 и ТУНКА-25 в эксперименте ТУНКА (а), схема детектора ШАЛ ТУНКА-25 (б): ■ - базовые оптические модули на основе гибридных фотодетекторов КВАЗАР-37(Ю; о - оптические модули на основе ФЭУ ТЬогп-ЕМ! 0668КВ/5 для регистрации формы черенковского импульса ШАЛ
В третьей главе диссертации описываются детекторы фотонов эксперимента ТУНКА по исследованию первичного космического излучения в диапазоне энергий 1015-1018 эВ.
Широкоугольный черенковский детектор широких атмосферных ливней (ШАЛ) ТУНКА успешно работает с 1994 года. Детектор расположен в Тункинской долине в Республике Бурятия в 50 км от озера Байкал на высоте 675 м над уровнем моря. Общая схема расположения эксперимента приведена на рис. 8а. Комплексная установка ТУНКА-25, рис. 86, состоит из 25 интегральных оптических модулей на базе фотодетекторов Квазар-3700 и четырех дополнительных оптических модулей на базе быстродействующих фотоумножителей Т1югп-ЕМ1 0668КВ/5 для исследования формы черенковского импульса ливней. Регистрация
формы импульса черенковского света ШАЛ на больших расстояниях от оси ливня является эффективным инструментом изучения массового состава первичных космических лучей.
В ФЭУ ТЬогп-ЕМ1 0668КВ/5 используются полусферический фотокатод диаметром -20 см и динодная система с линейной фокусировкой с шестью каскадами умножения. Большой площади первый динод системы изготовлен из высокоэффективного эмиттера БЬСбз, с коэффициентом вторичной эмиссии ст~10. Остальные диноды выполнены из сплава СиВе для надежной работы при больших постоянных токах. Фотокатод бищелочной КгСвБЬ. Максимум чувствительности фотокатода достигается на длине волны Хта^ 360-380 нм. Квантовая эффективность фотокатода в максимуме чувствительности составляет -23%. Долговременные исследования поведения параметров ФЭУ при больших постоянных анодных токах показывают, что даже при постоянном анодном токе 1а= 100 мкА за длительное время экспозиции не происходит существенных ухудшений основных параметров ФЭУ: в первую очередь, усиления и чувствительности.
Для передачи выходных аналоговых сигналов ФЭУ на значительные расстояния без существенного ослабления и искажения сигнала и для защиты от электромагнитных помех была разработана система передачи и приема выходных сигналов оптического модуля по оптоволоконному кабелю. Функциональная схема электронных узлов системы показана на рис. 9. Электрический анодный сигнал ФЭУ преобразуется в оптический и передается по одномодовому оптоволоконному кабелю в центральный электронный пункт установки, где происходит обратное преобразование оптического сигнала в электрический. На рис. 10 показаны выходные импульсы ФЭУ ТЬогп-ЕМ1 0668КВ/5 до и после прохождения оптоволоконного кабеля длиной 400 м. Форма анод-
ных импульсов ФЭУ практически не претерпевают каких-либо существенных изменений после прохождения оптоволоконного кабеля.
Рис. 9. Функциональная схема системы передачи выходных сигналов детектора по регистрации формы черенковского импульса ШАЛ по оптоволоконному кабелю. ФЭУ - фотоэлектронный умножитель Т1КЖК-ЕМ1 0668КВ/5; Г - передатчик-преобразователь электрических импульсов в оптические; ОК - оптоволоконный кабель иВ04-08(Ш-\У; Я — приемник-преобразователь оптических импульсов в электрические
Рис. 10. Форма импульса оптического модуля установки на базе ФЭУ ТН(ЖМ-ЕМ1 0668КВ/5 до (1) и после (2) прохождения оптоволоконного кабеля длиной 400 м
Рис. 11. ФЭУ ТЪогп-ЕМ19350КВ; а) - зарядовое распределение однофо-тоэлектронных импульсов; б) - распределение времен пролета фотоэлектронов при однофотоэлектронной засветке фотокатода
Для исследования первичного космического излучения в широком энергетическом диапазоне 1015-^1018 эВ с 2006 года началось создание черенковского детектора ТУНКА-133 геометрической площадью 1 км2 с 133-ю оптическими пунктами на базе быстродействующих ФЭУ ТЬогп-ЕМ19350КВ. Оптические пункты объединены в 19 кластеров, по 7 детекторов в каждом кластере. Шесть детекторов одного кластера расположены в вершинах правильного шестиугольника и один в геометрическом центре шестиугольника. Расстояние между детекторами - 85 м.
ТЬогп-ЕМ19350КВ - это ФЭУ с полусферическим фотокатодом диаметром 20 см. Используется бищелочной фотокатод КгОвБЬ. Максимум спектральной чувствительности достигается при длине волны Хтах = 380-400 нм. Квантовая эффективность в максимуме чувствительности составляет -20-25%. Динодная система с линейной фокусировкой состоит из 14 каскадов усиления. Время нарастания выходного импульса этого ФЭУ составляет 4 не, а его длительность - 10 не. В зарядовом спектре одно-фотоэлектронных импульсов наблюдается ярко выраженный пик, рис. 11а. Типичные значения отношения пик/ долина этого спек-
тра лежат в пределах Р/У=1,3-2,5. Распределение времен пролета фотоэлектронов при однофотоэлектронной засветке фотокатода характеризуется шириной на половине высоты Д^ьт=2,8-3,5 не, рис. 116. В этом распределении отчетливо видны пики предым-пульсов и задержанных импульсов. Вероятность появления пре-дымпульсов составляет ~1%, а задержанных импульсов - -4-5%. Вероятность возникновения послеимпульсов не превышает 15%.
Планируется дополнить установку ТУНКА-133 20-ю сцин-тилляционными счетчиками площадью 10 м каждый для регистрации мюонной компоненты ШАЛ. В этих счетчиках будут применены полусферические ФЭУ Ю408-06 производства фирмы Натап^и. Я1408-06 - это ФЭУ с полусферическим фотокатодом диаметром 20 см. В отличие от ЕМ19350КВ в 111408-06 используется жалюзийная 14-каскадная динодная система. Такая динодная система, несмотря на использующиеся эмиттеры (СиВе(Сз)) с относительно высоким коэффициентом вторичной эмиссии, отличаются малой эффективностью регистрации фотоэлектронов из-за значительного эффекта пролета фотоэлектронов. В силу этого в зарядовом спектре однофотоэлектронных импульсов фотоумножителя Ю408-06 отсутствует пик, обусловленный вылетом одного фотоэлектрона с фотокатода ФЭУ. На рис. 12а представлен типичный зарядовый спектр однофотоэлектронных импульсов этого ФЭУ. Фотокатод используется бище-лочной КгСвБЬ с максимумом чувствительности, достигающемся в диапазоне длин волн 380-420 нм. Квантовая эффективность фотокатода в максимуме чувствительности составляет ~20-25%. Таким образом, чувствительность данного ФЭУ хорошо соответствует спектру излучения пластикового сцинтиллятора, планирующегося для использования в эксперименте. Распределение времен пролета фотоэлектронов этого ФЭУ при однофотоэлек-
тронной засветке фотокатода характеризуется шириной на половине высоты 5 не, рис. 126. В распределении отчетливо видны пики предымпульсов и задержанные импульсов, вероятности появления которых составляют -1% и ~4% соответственно. Уровень послеимпульсов в этом ФЭУ не превышает 15%.
. ЖУа!^ Л
'Зкрдд. номер кшн» >а
«¡о их» ноо 2хо г:со эссю Врем», не
Рис. 12. ФЭУ И1408-06; а) - зарядовое распределение однофотоэлек-тронных импульсов; б) - распределение времен пролета фотоэлектронов при однофотоэлектронной засветке фотокатода
Четвертая глава посвящена калибровочным системам эксперимента ТУНКА. Как и во всяком другом эксперименте, где применяются фотодетекторы, для контроля параметров фотодетекторов и электронных систем необходимо внедрение в состав эксперимента калибровочных систем для контроля и мониторинга основных параметров фотодетекторов - усиления, чувствительности и т.д.. В эксперименте ТУНКА калибровочные измерения фотодетекторов оптических пунктов усложняются значительными расстояниями между оптическими пунктами. Нами разработана простая в эксплуатации, достаточно надежная и недорогая в изготовлении система для этих целей. Система калибровки времени срабатывания оптических пунктов черенков-ского детектора широких атмосферных ливней ТУНКА состоит из источника световых импульсов наносекундной длительности и пластикового оптоволоконного кабеля. Принципиальная элек-
20
трическая схема источника света представлена на рис. 13а. Используется светодиод ЬОВК13633Ь6, который характеризуется повышенной яркостью (17 кд), излучением в узком угле (-8°) и быстрой кинетикой свечения ~ 2 не) практически без
медленной компоненты. На рис. 136 показаны формы световых импульсов, измеренные методом счета коррелированных во времени фотонов, 15-ти образцов данного светодиода в калибровоч-
Рис. 13. а) наносекундный источник световых импульсов калибровочной системы эксперимента ТУНЬСА-25. Tl, Т2, ТЗ - ZTX415; CI, С2 -100 нФ; СЗ - 27 пФ; Rl, R2, R3 - 51 Ом; R4 - 68 кОм; R5 - 10 кОм; L -LDBK13633L6; б) кинетика свечения светодиодов LDBK13633L6
Для передачи световых импульсов источника к фотодетекторам оптических пунктов используется пластиковый оптоволоконный кабель SIEMENS CUPOFLEX с сердцевиной из полиме-тилметакрилата диаметром 980 мкм и внешней оболочкой из флуорированного полиметилметакрилата толщиной 10 мкм. Длина кабеля составляет ~ 240 м. При сеансе временной калибровки наносекундный источник света фиксируется в централь-
ном электронном пункте детектора, а оптоволоконный кабель протягивается к каждому индивидуальному оптическому пункту. Уровень засветки фотодетекторов оптических пунктов составляет ~ 1000 фотоэлектронов при длительности светового импульса после прохождения оптоволоконного кабеля <15 не. Временная отметка, вырабатываемая индивидуальным оптическим пунктом, измеряется относительно синхроимпульса источника света в центральном пункте электроники. Точность временной привязки синхросигнала и выходных сигналов оптических пунктов, обусловленных сигналами от калибровочного источника света, составляет ~ 50 пс.
Время, не
Рис. 14. а) кинетика свечения светодиодов СЫЬ-ЗОМВС; б) принципиальная электрическая схема источника световых импульсов наносе-кундной длительности оптического пункта эксперимента ТУНКА-133: Т, - ВРТ92; Т2 - ВРЯ92; Ь, - 100 нГн; Ъ2 - 100 мкГн; Я, - 50 Ом; К2 -ЮкОм; С, - 100 пФ;Тг-МСЬ0536 АОТ1
В эксперименте ТУНКА-133 предусмотрено две системы калибровки оптических пунктов. В первом случае каждый оптический пункт снабжен наносекундным источником света, который управляется из электронного пункта кластера. Для этой цели разработан источник света на основе ультраяркого голубого све-тодиода 01Ь-3014ВС. Светодиоды этой марки отличаются
большим разбросом кинетики свечения, рис. 14а. Однако, среди них обнаружены образцы с самой быстрой кинетикой свечения среди всех измеренных светодиодов различных типов. Для использования в калибровочной системе отобраны образцы светодиодов с быстрой кинетикой. Принципиальная схема источника изображена на рис. 146. Источник обладает большим диапазоном изменения амплитуды светового сигнала источника - 0-И 010 фотонов в импульсе. При этом длительность светового импульса изменяется в диапазоне З-т-7 не.
Рис. 15. а) источник световых импульсов наносекундной длительности для калибровки всего детектора ТУНКА-133: Г - генератор импульсов; DC-DC - преобразователь напряжения питания; А - аккумуляторная батарея; Т1 и Т2 - FMMT415; R1 и R4 - 51 Ом; R2 - 10 кОм; R3 - 68 кОм; R5 - 30 Ом; L - 100 нГн; С1 и С2 - 100 нФ; СЗ - 120 пФ; LED -XR7090; б) кинетика свечения источника световых импульсов наносекундной длительности на базе светодиода высокой мощности XR7090, разработанного для калибровки эксперимента ТУНКА-133
Для калибровки всей установки предлагается система, основанная на мощном светодиодном источнике наносекундных световых импульсов. Такой источник может быть поднят над уста-
новкой на воздушном шаре, наполненном гелием. Предусматривается и второй вариант, когда источник света закрепляется на шесте на высоте нескольких метров. В обоих случаях будут применяться мощные наносекундные источники световых импульсов, схема которых приведена на рис. 15а. Такие источники включают в себя источник световых импульсов на базе свето-диода высокой мощности XR7090, генератор импульсов запуска источника света и преобразователь напряжений питания для источника света, генератор импульсов запуска и модули определения координат GPS и радиообмена Xbee-Pro. Световыход источника составляет ~1012 фотонов в импульсе при длительности импульса Atfwhm = 4,2 не. На рис. 156 показана кинетика свечения данного источника.
В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы:
Разработан и создан измерительный стенд для отбора и тестирования фотоэлектронных умножителей черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA по поиску безнейтринного двойного бета-распада ядра 76Ge. Проведены отбор фотоэлектронных умножителей для использования в этом эксперименте и исследованы их параметры.
Разработан и создан оптический модуль черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA.
Разработана и создана калибровочная система черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA на основе нано-секундных источников световых импульсов и системы пластиковых оптоволоконных кабелей и диффузных рассеивателей света.
Разработана и создана система измерения формы импульса черенковского излучения широких атмосферных ливней эксперимента ТУНКА на базе быстродействующего фотоэлектронного
умножителя Thorn-EMI D668KB/5 с использованием метода передачи аналогового сигнала по оптоволоконному кабелю.
Исследованы свойства фотоэлектронных умножителей Thorn-EMI9350KB и R1408-06. Показана возможность их использования в черенковском и сцинтилляционном детекторах эксперимента ТУНКА-133.
Предложена калибровочная система черенковского эксперимента по исследованию первичного космического излучения ТУНКА-133 с применением наносекундных источников света, использующих ультраяркие и высокой мощности светоизлучаю-щие диоды, с диапазоном изменения амплитуды светового импульса 0-И О12 фотонов при длительности импульса 3-^7 не (FWHM).
При исследовании пластиковых оптоволоконных кабелей калибровочных систем экспериментов GERDA и ТУНКА обнаружена полоса повышенного поглощения световых импульсов в диапазоне длин волн 600-650 нм.
СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. B.K.Lubsandorzhiev, R.V.Vasiliev, Y.E.Vyatchin, R.V.Poleshuk, B.A.J.Shaibonov. Photoelectron backscattering in vacuum phototubes // Nucl. Instrum. and Meth. A. 2006. V.567. P.12-16. / physics/0601157.
2. P.B. Васильев, Е.Э. Вятчин, Б.К. Лубсандоржиев, П.Г. Похил, Б.М.А.Шайбонов, Р.В.Полещук. Многоцелевая экспериментальная глубоководная гирлянда для нейтринных экспериментов на оз. Байкал // ПТЭ. 2008. №2. С.21-25.
3. Р.В.Васильев, О.А.Грэсс, Е.Е.Коростелева, ................
Б.А.М.Шайбонов и др. Измерение формы импульса черенковского излучения широких атмосферных ливней в эксперименте ТУНКА // ПТЭ. 2009. №.2. С. 17-23.
4. B.K.Lubsandorzhiev, R.V.Poleshuk, B.A.M.Shaibonov, Ye.E.Vyatchin LED based powerful nanosecond light sources for calibration systems of
25
deep underwater neutrino telescopes I I Nucl. Instrum. and Meth. A. 2009. V. 602. P.220-223.
5. M.Knapp, P.Grabmayr, J.Jochum et al. The GERDA muon veto Cherenkov detector // Nuclear Instruments and Methods A. 2009. V. 610. P.280.
6. F.Ritter, B.Lubsandorzhiev, K.Freund, P.Grabmayar, J.Jochum, M.Knapp, B.Shaibonov. The calibration system of the GERDA muon veto Cherenkov detector // Nucl. Incstrum. and Meth. A. 2010. V.617. P.420.
7. Н.М.Буднев, Р.Вишневски, О.А.Гресс, ............ Б.А.М.Шайбоиов и
др. ТУНКА-133: Статус 2008 гола и развитие методики анализа данных // Известия РАН. Серия физическая. 2009. Т.73. N.5. С.627-641.
8. N.M.Budnev, Chvalaiev О.А., O.A.Gress, ............. B.A.Shaibonov
(ju) et al., The Cosmic Ray Mass Composition in the Energy Range 10151018 eV measured with the Tunka Array: Results and Perspectives // Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.) 2009. Vol.190. P.247-252.
9. N.M.Budnev, O.V.Chvalaev, O.A.Gress, ............ B.A.Shaibonov (ju)
et al. Tunka-133 EAS Cherenkov Array: Status of 2007 // Proc. of the 30th ICRC, R.Caballero, J.C.D'Olivo, G.Medina-Tanco, L.Nellen, F.A.Sanchez, J.F.Valdes-Galicia (eds.) Universidad nacional Autonoma de Mexico, Mexico City, Mexico, 2008. Merida Mexico, July 2007. Vol.5(He part 2). P.973. / arXiv:0804.0856 [astro-ph],
10. B.K.Lubsandorzhiev, R.V.Poleshuk, B.A.J.Shaibonov, Y.E.Vyatchin, A.Zablotsky. A LED Flasher for TUNKA EAS Experiment // Proc. of the 30th ICRC, R.Caballero, J.C.D'Olivo, G.Medina-Tanco, L.Nellen,
F. A.Sanchez, J.F.Valdes-Galicia (eds.) Universidad nacional Autonoma de Mexico, Mexico City, Mexico, 2008. Merida Mexico, July 2007. Vol.5(He part 2). P. 1117. / arXiv:0709.0458 [physics].
11. B.K.Lubsandorzhiev, R.V.Poleshuk, B.A.J.Shaibonov, Y.E.Vyatchin. Powerful nanosecond light sources based on LEDs for astroparticle physics experiments // Proc. of the 30th ICRC, R.Caballero, J.C.D'Olivo,
G.Medina-Tanco, L.Nellen, F.A.Sanchez, J.F.Valdes-Galicia (eds.) Universidad nacional Autonoma de Mexico, Mexico City, Mexico, 2008.
Merida Mexico, July 2007. Vol.5(He part 2). P.1581. / arXiv:0709.0453 [physics].
12. A.V.Zablotsky, N.V.Budnev, O.A.Chvalaev, .........., B.A.J.Shaibonov
et al. Data acquisition system of the TUNKA-133 array // Proc. of 10th ICATTP, Villa Olmo, Como, Italy, 8-12 October 2007, ed. by M.Barone, A.Gaddi, C.Leroy, L.Price, P.G.Rancoita, R.Ruchti, World Scientific, 2008, pp.287-291. arXiv:0804.0856.
13. Budnev N.M., Besson D., Chvalaiev O.A.,...........B.A.J.Shaibonov et
al. The Tunka-133 EAS Cherenkov array - status, first results and plans // Proc. of the 31st ICRC, Lodz Poland July 2009. arXiv: 1003.0089 [astro-ph],
14. Budnev N.M., Chvalaiev O.A., O.A.Gress, ............. Shaibonov
BLubsandorzhiev B.K. et al., Cosmic ray mass composition by the data of TUNKA Cherenkov агтау // Proc. of the 21st ECRS. 9-12 September 2008, Kosice Slovakia. Institute of Experimental Physics Slovak Academy of Science. 2009. P.427-431.
15. Б.К.Лубсандоржиев, Е.Э.Вятчин, Б.А.Шайбонов. Ультраяркие синие и УФ светодиоды в космомикрофизических экспериментах // Труды 7-й Всероссийской конференции "Нитриды галлия, индия и алюминия - стуктуры и приборы". 1-3 февраля 2010. МГУ им. М.В.Ломоносова, физический факультет. Издательство: Физико-технический институт им. Иоффе. Санкт-Петербург 2010. С.226.
Ф-т 60x84/8. Уч.-изд.л. 1,4 Зак. № 22114 Тираж 100 экз.. Бесплатно Отпечатано на компьютерной издательской системе Издательский отдел Учреждение Российской академии наук Институт ядерных исследований 117312, Москва, проспект 60-летия Октября, 7а
Введение
Глава 1. Детекторы фотонов эксперимента по поиску двойного бета распада GERDA.
1.1. Двойной безнейтринный распад ядер
1.2. Эксперимент GERDA
1.3. Черенковский детектор мюонного вето эксперимента GERDA
1.3.1. Фотоумножители ЕТ9350КВ и ЕТ9354КВ
1.3.2. Измерительный стенд и результаты тестирования фотоэлектронных умножителей
1.4. Оптический модуль черенковского детектора мюонного вето
Глава 2. Калибровочная система эксперимента GERDA
2.1. Источники световых импульсов наносекунднойдлительности калибровочной системы эксперимента GERDA
2.2. Система оптоволоконных кабелей
2.3. Диффузные рассеиватели света
Глава 3. Детекторы фотонов эксперимента по исследованию первичного космического излучения ТУНКА
3.1. Эксперимент ТУНКА
3.2. ТУНКА-25: гибридный детектор фотонов KBA3AP-370G и фотоумножитель EMI D669. Измерение длительности черенковского излучения широких атмосферных ливней в эксперименте ТУНКА
3.3. ТУНКА-133: фотоумножители EMI9350KB и R1408-06. Оптические пункты и первые результаты эксперимента ТУНКА-
Глава 4. Калибровочные системы эксперимента ТУНКА. 119 4.1. Калибровочная система эксперимента ТУНКА
4.2. Калибровочная система эксперимента ТУНКА
Фотоника (наука, связанная с излучением, детектированием и распространением фотонов) все больше и больше расширяет свое влияние в экспериментальной физике. Фотонные методы сегодня — это наиболее широко распространенные методы в ядерно-физических экспериментах [1]. Особое место они занимают в космомикрофизических экспериментах. Присутствие фотонных методов или практически всех элементов фотоники в таких экспериментах настолько велико, что предлагается по аналогии с ядерной электроникой объединить все эти методы в новую область экспериментальной физики - ЯДЕРНУЮ ФОТОНИКУ [2].
Детекторы фотонов (вакуумные, газовые и твердотельные) являются основным инструментом подавляющего большинства космомикрофизических экспериментов. Соответственно везде, где применяются детекторы, фотонов, необходимо внедрение в состав экспериментов специальных калибровочных систем для контроля и мониторирования параметров фотодетекторов для получения точных и надежных экспериментальных данных. В состав' калибровочных систем обязательно входят элементы фотоники - источники фотонов (лазеры, светоизлучающие диоды (светодиоды), разрядные источники, черенковские источники и т.д.) и фотонные среды (световоды, оптоволоконные кабели, сцинтилляторы, радиаторы черенковского излучение и т.п.).
Даже в экспериментах, где основными детектирующими элементами служат не детекторы фотонов, а другие типы детекторов, например, полупроводниковые детекторы, не удается полностью обойтись без детекторов фотонов, которые могут использоваться в каких-то вспомогательных системах эксперимента. Ярким примером такого использования детекторов фотонов является эксперимент GERDA [3-5] по поиску двойного безнейтринного бета-распада ядер 76Ge, который проводится в подземной лаборатории Gran Sasso в Италии. Одно из основных требований эксперимента — чрезвычайно низкий уровень фона. Выполнение этого требования оказывается невозможным без создания детектора мюонного вето [6], позволяющего освободиться от космогенного фона. В этом детекторе мюонного вето используются детекторы фотонов, ультрачистая вода, сцинтилляторы и спектросмещающие оптоволоконные кабели. Кроме того, в детектор инкорпорирована калибровочная система [7], включающая в себя источники фотонов, оптоволоконные кабели и диффузные рассеиватели фотонов. Как видим, в эксперименте GERDA применяются практически все основные элементы фотоники.
Если обратиться к экспериментам, действующим на другом конце энергетической шкалы - например, эксперименты по исследованию первичного космического излучения в области энергий выше 1014 эВ, то мы снова увидим, что практически во всех экспериментах используются детекторы фотонов и другие элементы фотоники. Во многих экспериментах сама атмосфера используется в качестве фотонной среды, как в черенковском эксперименте ТУНКА [8-10]. В калибровочных системах этого эксперимента используются источники фотонов и оптоволоконные кабели [11, 12].
Таким образом, в двух очень разных экспериментах, работающих в различных энергетических диапазонах, чрезвычайно сильно различающихся по условиям проведения: в первую очередь по фоновым условиям, по условиям окружающей среды и т.д., элементы фотоники или фотонные методы играют ключевую роль. Исследованию детекторов фотонов экспериментов GERDA и ТУНКА и разработке и созданию калибровочных систем этих экспериментов и посвящена данная диссертационная работа.
Цель работы. Целью настоящей работы являлось разработка и создание измерительных стендов для исследования, тестирования и отбора фотодетекторов эксперимента по поиску двойного безнейтринного бета-распада ядер Ge76 GERDA и черенковского эксперимента по исследованию первичного космического излучения ТУНКА, разработка оптического модуля черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA, разработка и создание калибровочных систем этих экспериментов, а также исследование параметров основных элементов этих систем.
Научная новизна и практическая ценность работы. В ходе выполнения настоящей работы были разработаны и созданы оптический модуль и калибровочная система черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA, а также калибровочная система эксперимента ТУНКА. Результаты данной работы активно используются в космомикрофизических экспериментах.
Основные результаты, представленные к защите.
Основными результатами, представленными к защите, являются разработка и создание калибровочных систем черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA и эксперимента ТУНКА. Разработка методов исследования, тестирования и отбора основных элементов калибровочных систем и фотодетекторов этих экспериментов.
Апробация работы. Результаты и выводы, содержащиеся в диссертации, докладывались на межрегиональных конференциях по физике космических лучей в г.Москве в 2008 г., на международной конференции по физике космических лучей в 2007 (Мерида, Мексика), на международных конференциях по фотодетектированию в 2006 г. (Бон, Франция) и 2008г. (Акс-ле-Бан, Франция), на совещаниях коллаборации GERDA.
Публикации. Сущность и новизна исследований, выполненных по теме данной диссертации, изложены в статьях, опубликованных в журналах Приборы и Техника Эксперимента, Nuclear Instruments and Methods А, в трудах Российских и международных конференций по физике космических лучей. Всего по теме диссертации опубликовано 13 работ из них 7 в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Общее количество страниц составляет 153, рисунков — 119 и таблиц - 1. Список литературы включает 103 наименования.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
1. B.K.Lubsandorzhiev, R.V.Vasiliev, Y.E.Vyatchin, R.V.Poleshuk, B.A.J.Shaibonov. Photoelectron backscattering in vacuum phototubes // Nucl. Instrum. and Meth. A. 2006. V.567. P.12-16. / physics/0601157.
2. N.M.Budnev, O.V.Chvalaev, O.A.Gress, ., B.A.J.Shaibonov et al.
Tunka-133 EAS Cherenkov Array: Status of 2007 // Proc. of the 30th ICRC, R.Caballero, J.C.D'Olivo, G.Medina-Tanco, L.Nellen, F.A.Sanchez, J.F.Valdes-Galicia (eds.) Universidad nacional Autonoma de Mexico, Mexico City, Mexico, 2008. Merida Mexico, July 2007. Vol.5(He part 2). P.973. / arXiv:0804.0856 [astro-ph].
3. B.K.Lubsandorzhiev, R.V.Poleshuk, B.A.J.Shaibonov, Y.E.Vyatchin, A.Zablotsky. A LED Flasher for TUNKA EAS Experiment // Proc. of the 30th ICRC, R.Caballero, J.C.D'Olivo, G.Medina-Tanco, L.Nellen, F.A.Sanchez, J.F.Valdes-Galicia (eds.) Universidad nacional Autonoma de Mexico, Mexico City, Mexico, 2008. Merida Mexico, July 2007. Vol.5(He part 2). P.1117. / arXiv:0709.0458 [physics].
4. B.K.Lubsandorzhiev, R.V.Poleshuk, B.J.Shaibonov, Y.E.Vyatchin. Powerful nanosecond light sources based on LEDs for astroparticle physics experiments // Proc. of the 30th ICRC, R.Caballero, J.C.D'Olivo, G.Medina-Tanco, L.Nellen, F.A.Sanchez, J.F.Valdes-Galicia (eds.) Universidad nacional Autonoma de
Mexico, Mexico City, Mexico, 2008. Merida Mexico, July 2007. Vol.5(He part 2). P.1581. / arXiv:0709.0453 [physics].
5. Р.В.Васильев, Е.Э.Вятчин, Б.К.Лубсандоржиев, П.Г.Похил, Б.М.А.Шайбонов, Р.ВЛолещук. Многоцелевая экспериментальная глубоководная гирлянда для нейтринных экспериментов на оз. Байкал // ПТЭ. 2008. №2. С.21-25.
6. A.Zablotsky, N.M.Budnev, O.V.Chvalaev, . B.A.J.Shaibonov et al.
Data acquisition system of the TUNKA-133 array // Proceedings of 10th Conference on Astroparticle, Particle and Space Physics, Detectors and Medical Physics Application (ICATTP), Villa Olmo, Como, Italy, 8-12 October 2007, ed. by M.Barone et al., World Scientific, 2008, pp.287-291. arXiv:0804.0856.
7. Р.В.Васильев, О.А.Грэсс, Е.Е.Коростелева, . Б.А.М.Шайбонов и др. Измерение формы импульса черенковского излучения широких атмосферных ливней в эксперименте ТУНКА // ПТЭ. 2009. №.2. С. 17-23.
8. В.K.Lubsandorzhiev, R.V.Poleshuk, B.A.M.Shaibonov, Ye.E.Vyatchin LED based powerful nanosecond light sources for calibration systems of deep underwater neutrino telescopes // Nucl. Instrum. and Meth. A. 2009. V. 602. P.220-223.
9. M.Knapp, P.Grabmayr, J.Jochum et al. The GERDA muon veto Cherenkov detector // Nuclear Instruments and Methods A. 2009. V. 610. P.280.
10. Н.М.Буднев, Р.Вишневски, О.А.Гресс,., Б.А.М.Шайбонов и др.
ТУНКА-133: Статус 2008 гола и развитие методики анализа данных // Известия РАН. Серия физическая. 2009. Т.73. N.5. С.627-641.
11. BudnevN.M., Besson D., Chvalaiev O.A.,.B.A.J.Shaibonov et al.
The Tunka-133 EAS Cherenkov array - status, first results and plans // Proc. of the 31st ICRC, Lodz Poland July 20009.
12. F.Ritter, B.Lubsandorzhiev, K.Freund, P.Grabmayar, J.Jochum, M.Knapp, B.Shaibonov. The calibration system of the GERDA muon veto Cherenkov detector //Nucl. Incstrum. and Meth. A. 2010. V.617. P.420.
13. Budnev N.M., Chvalaiev O.A., O.A.Gress, ., Shaibonov
BLubsandorzhiev B.K. et al., Cosmic ray mass composition by the data of TUNKA Cherenkov array // Proc. Of the 21st ECRS. 9-12 September 2008, Kosice Slovakia. Institute of Experimental Physics Slovak Academy of Science. 2009. P.427-431.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Разработан и создан измерительный стенд для отбора и тестирования фотоэлектронных умножителей черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA по поиску безнейтринного двойного бета-распада ядра
Ge. Проведены отбор фотоэлектронных умножителей для использования в этом эксперименте и исследованы их параметры.
2. Разработан и создан оптический модуль черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA.
3. Разработана и создана калибровочная система черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA на основе наносекундных источников световых импульсов и системы пластиковых оптоволоконных кабелей и диффузных рассеивателей света.
4. Разработана и создана система измерения формы импульса черенковского излучения широких атмосферных ливней эксперимента ТУНКА на базе быстродействующего фотоэлектронного умножителя Thorn-EMI D668KB/5 с использованием метода передачи аналогового сигнала по оптоволоконному кабелю.
5. Исследованы свойства фотоэлектронных умножителей Thorn-EMI9350KB и R1408-06. Показана возможность их использования в черенковском и сцинтилляционном детекторах эксперимента ТУНКА-133.
6. Предложена калибровочная система черенковского эксперимента по исследованию первичного космического излучения ТУНКА-133 с применением наносекундных источников света, использующих ультраяркие и высокой мощности светоизлучающие диоды, с диапазоном изменения
1") амплитуды светового импульса (Н10 фотонов при длительности импульса 3-7 не (FWHM).
7. При исследовании пластиковых оптоволоконных кабелей калибровочных систем экспериментов GERDA и ТУНКА обнаружена полоса повышенного поглощения световых импульсов в диапазоне длин волн 600650 нм.
Выражаю глубочайшую благодарность и признательность моему Учителю Баярто Константиновичу Лубсандоржиеву за постановку задачи, внимательное отношение, неоценимо полезные обсуждения, советы и помощь на всех этапах работы. Я искренне признателен Безрукову Л.Б. за постоянную внимание и помощь. Огромное спасибо моим коллегам и товарищам, поддерживавшим меня и помогавшим мне на всех этапах диссертационной работы — Васильеву Р.В., Вятчину Е.Э., Полещуку Р.В. Хочу выразить свою благодарность всем моим коллегам из эксперимента ТУНКА, в особенности Л.А.Кузьмичеву из НИИЯФ МГУ. Также я очень признателен моим коллегам из университета г.Тюбинген - Й.Йохаму, П.Грабмайру, Л.Нидермайеру, М.Кнаппу и А.Риттеру за ту теплую дружескую атмосферу, которая всегда царит во время моего пребывания в Тюбингене. Эта атмосфера способствует очень эффективной совместной работе в эксперименте GERDA.
1. Ю.К.Акимов. Фотонные методы регистрации излучений. ОИЯИ. Дубна. 2006. 281с.
2. Б.К.Лубсандоржиев. Фотоника в микрокосмофизических экспериментах// Докторская диссертация. Москва. ИЛИ РАН. 2009. 247с.
3. The GERmanium Detector Array for the search of neutrinoless PP decays of 76Ge at LNGS // proposal to the LNGS P38/04. 2004. arXiv:0404039vlhep-ex.
4. S.Schoenert for GERDA Collaboration. The GERmanium Detector Array (GERDA) for the search of neutrinoless beta beta decays of Ge-76 at LNGS // Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.) 2005. V.145. P.242.
5. K.T.Knopfle. Search for neutrinoless double-beta decay of Ge-76 with GERDA // arXiv:0809.5207vl hep-ex. 2008.
6. M.Knapp, P.Grabmayr, J.Jochum et al. The GERDA muon veto Cherenkov detector // Nuclear Instruments and Methods A. 2009. V. 610. P.280.
7. F.Ritter, B.Lubsandorzhiev, K.Freund, P.Grabmayr, J.Jochum, M.Knapp, G.Meierhofer, B.Shaibonov. The calibration system of the GERDA muon veto Cherenkov detector//Nucl. Incstrum. and Meth. A. 2010. V.617. P.420.
8. B.K.Lubsandorzhiev. TUNKA EAS Cherenkov experiment in the Tunka Valley//Nucl. Instrum. and Meth. A. 2008. V. 595. P.73-76.
9. Budnev N.M., Chvalaiev O.A., O.A.Gresset al., The Cosmic Ray Mass1. J с i о
10. Composition in the Energy Range 10 -10 eV measured with the Tunka Array: Results and Perspectives //Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.) 2009. Vol.190. P.247-252.
11. K.Hirata, T.Kajita, M.Koshiba et al. // Phys. Rev. Lett. 1987. V.58. P.1490.
12. R.M.Bionta, G.Blewitt, C.B.Bratton et al. // Phys. Rev. Lett. 1987. V.58. P.1494.
13. Е.Н.Алексеев, Л.Н.Алексеева, В.И.Волченко, И.В.Кривошеина // Письма в ЖЭТФ. 1987. Т.45. С.461.
14. Y.Fukuda, S.Fukuda, T.Hayakawa et al. Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos // Phys. Rev. Lett. 1998. V.81. P. 1562.
15. M.Goepert-Mayer. Double beta-disintegration // Phys. Rev. 1935. V.48. P.512.
16. M.Moe, P.Vogel. Double-Beta Decay // Ann. Rev. of Nucl. and Part. Sei. 1994. V.44. P.247.
17. W.С.Haxton, G.I.Stephenson. Double Beta Decay // Prog. Part. Nucl. Phys. 1984. V.12.P.409.
18. C.E.Aalseth et al. Neutrinoless double-beta decay of Ge-76: First results from the International Germanium Experiment (IGEX) with six isotopically enriched detectors //Phys. Rev. C. 1999. V.59. P.2108.
19. Vergados J.D. The neutrinoless double beta decay from a modern perspective // Phys. Lett. 2002. V.361. P.l.
20. Vogel P. Neutrinoless double beta decay //arXiv:0611243vl hep-ph. 2006.
21. K.Zuber. Neutrinoless double beta decay experiments // ActaPhys. Polon. B37:1905-1921. 2006. Onu
22. U.Sarkar. Importance of neutrinoless double beta decay // arXiv:0712.2690 hep-ph. 2007.
23. O.Cremonesi. Neutrino masses and Neutrinoless Double Beta decay: Status and expectations // arXiv:1001.1946vl hep-ex. 2010.
24. S.M.Bilenky. Neutrinoless Double Beta-Decay // arXiv:1001.1946vl hep-ex. 2010.
25. H.V.Klapdor-Kleingrothaus, I.V.Krivosheina. The evidence for the observation of OvPP decay: the identification of Ovpp events from the full spectra //Eur. Phys. J. A. 2001. V.12. P. 147.
26. H.V.Klapdor-Kleingrothaus, I.V.Krivosheina, O.Chkrovets. Search for neutrinoless double beta decay with enriched 76Ge in Gran Sasso 1990-2003 // Phys. Lett. B. 2004. V.586. P.198.
27. C.E.Aalseth et al. Comments on "The evidence for the observation of OvPP decay" // arXiv:0202018vlhep-ex. 2002.
28. Kirpichnikov I.V. Klapdor's claim for the observation of the neutrinoless double beta-decay of Ge-76. Ananlysis and corrections // arXiv: 1006.2025 hep-ph. 2010.
29. Baudis L. et al. GENIUS-TF: a test for the GENIUS project // arXiv:0012022vlhep-ex. 2000.
30. S.R.Elliot, P.Vogel. Double-Beta Decay // Ann. Rev. of Nucl. and Part. Sci. 2002. V.52. N.l. P.115.
31. MACRO Collaboration. MACRO Absolute Muon Flux Measurements: Comparison with Monte Carlo Predictions // Proc. of the 24th ICRC. 1995. V.l. P.540.
32. M.Aglietta, B.Alpat, E.D.Alyea et al. Muon "depth-intensity" relation measured by the LVD underground experiment and cosmic-ray muon spectrum at sea level // Phys. Rev. D. 1998. V.58. P.092005. Поток мюонов LVD
33. Weber M.F., Stover C.A., Gilbert L.R. et al. Giant birefringent optics inmultilayer polymer mirrors // Science. 2000. V.287. P.2451.
34. M.Knapp. PhD Thesis. University of Tuebingen. 2009. 160p.
35. J.S. Kapustinsky, R.M.DeVries, N.J.DiGiacomo et al. A fast timing light pulser for scintillation detectors // Nucl. Instrum. and Meth. A. 1985. P.612.
36. B.Lubsandorzhiev, Y.Vyatchin. Studies of "Kapustinsky's"light pulser timing characteristics // JINST. 2006. 1. T06001.
37. В.K.Lubsandorzhiev, P.G.Pokhil, R.V.Vasiljev, A.G.Wright, Studies of Prepulses and Late Pulses in the 8" Electron Tubes Series of Photomultipliers. // Nucl. Instrum. And Meth. 2000. V.A442. P.452.
38. Р.В.Васильев. Кандидатская диссертация. Москва. ИЯИ РАН. 2005.
39. В.K.Lubsandorzhiev, R.V.Vasiliev, Y.E.Vyatchin, R.V.Poleshuk, B.A.J.Shaibonov. Photoelectron backscattering in vacuum phototubes // Nucl. Instrum. and Meth. A. 2006. V.567. P. 12-16. / physics/0601157.
40. G.A.Morton, N.M.Smith R.Wasserman. Afterpulses in photomultipliers. // IEEE Trans, in Nucl. Sci. 1967. February. P. 443-448.
41. P.B.Coates. The origin of afterpulses in photomultipliers. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1973. V.6.P.1159-1166.
42. P.B.Coates. A theory of afterpulses formation in photomultipliers and the prepulse height distribution. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1973. V.6. P.1862-1869
43. Б.М.Глуховской, И.Ф.Ярошенко. // Радиотехника и электроника. 1980. T.2.N.7. С.1495ю
44. G.Alimonti, C.Arpesella, H.Back et al. The BOREXINO detector at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso // Nulc. Instrum. and Meth. A. 2009. V.600. P.568.
45. Р.В.Васильев, Б.К.Лубсандоржиев, П.Г.Похил. Наносекундный источник света для калибровочных измерений в сцинтилляционных и черенковских детекторах // ПТЭ. 2000. N.4. С.148.
46. Вятчин Е.Э., Лубсандоржиев Б.К. Изучение стабильности наносекундных источников света на основе синих светоизлучающих диодов из соединений InGaN и GaN. // ПТЭ. 2004. N.4. С.80.
47. B.K.Lubsandorzhiev, R.V.Poleshuk, B.A.M.Shaibonov, Ye.E.Vyatchin. LED based powerful nanosecond light sources for calibration systems of deep underwater neutrino telescopes // Nucl. Instrum. and Meth. A. 2009. V. 602. P.220-223.
48. D. V. O'Connor, D.Phiilips. Time-Correlated Single Photon Counting, L.: Academic Press, 1984.
49. W. Becker. Advanced Time-Correlated Photon Counting Techniques, Dortmund: Springer, 2006.52. http//www.LUMILED.com
50. Акимов Ю.К., Дражев M.H., Колпаков Т.Ф., Рыкалин В.И. Быстродействующая электроника для регистрации ядерных частиц / М.: Атомиздат. 1970.
51. Дьяконов В.П. Лавинные транзисторы и тиристоры. Теория и применение / М.: Солон-пресс. 2008.
52. Р.В.Васильев, Б.К.Лубсандоржиев, П.Г.Похил, O.Streicher Влияние гидростатического давления на оптические параметры оптоволоконных кабелей калибровочной системы нейтринного телескопа НТ-200 // ПТЭ. 2003. N.1.C.77.
53. Р.В.Васильев, Е.Э.Вятчин, Б.К.Лубсандоржиев, П.Г.Похил, Б.М.А.Шайбонов, Р.В.Полещук. Многоцелевая экспериментальная глубоководная гирлянда для нейтринных экспериментов на оз. Байкал // ПТЭ. 2008. №2. С.21-25.
54. Р.В. Васильев, О.А.Грэсс, Е.Е.Корестелева и др. Черенковский детектор широких атмосферных ливней для совместной работы с нейтринным телескопом НТ-200 // ПТЭ. 2001. №5. С.51-56
55. E.Koresteleva, L.Kuzmichev, B.Lubsandorzhiev et al. Primary energy measurement with EAS Cherenkov light: Experiment QUEST and CORSIKA // Intern. J. Mod. Phys. A20 (2005) 6837-6839.
56. Е.Э.Вятчин. Кандидатская диссертация. Москва. ИЯИ РАН. 2005.
57. Г.В.Куликов, Г.Б.Христиансен // ЖЭТФ. 1958. Т.35. С.635.
58. Р.А.Антонов, В.ИГалкин, И.П.Иваненко и др. Широкоугольный черенковский детектор ШАЛ на основе полусферических фотоприемников // Известия АН. Сер. физическая. 1993. Т.57. N.4. С.181-185.
59. О.А.Гресс, Т.И.Гресс, А.И.Климов и др. Исследование энергетического спектра первичных космических лучей на черенковской установке "ТУНКА" // Известия АН сер. физическая. 1997. Т.61. N.3. С.511.
60. N.Budnev, D.Chernov, V.Galkin et al. Tunka EAS Cherenkov Array -Status 2001. //Proc. of the 27th ICRC. Hamburg Germany. 2001. V.2. P.581.
61. N.M.Budnev, D.V.Chernov, O.A.Gress et al. Cosmic Ray Energy Spectrum and mass Composition from 1015 to 1016 eV by Data of the Tunka EAS Cherenkov Array // Proc. of the 29 th ICRC2005.
62. D.Chernov, E.Koresteleva, L. Kuzmichev et al. The TUNKA Experiment: towards a 1 km2 Cherenkov EAS Array in the Tunka Valley // Intern. J. Mod. Phys. A20 (2005) 6796-6798.
63. Лубсандоржиев Б.К., Похил П.Г., Путилов O.A., Степаненко З.И. Фотоприемник KBA3AP-370G для черенковских детекторов широких атмосферных ливней // ПТЭ. 2001. N.3. С. 155.
64. M.Aglietta, B.Alessandro, P.Antonioli et al. Study of cosmic ray primary spectrum at 1015<E0<1016 eV with the EAS-TOP array // Nucl. Phys. B. 2000. V.85. P.318.
65. Безруков Л.Б., Борисовец Б.А., Глуховской Б.М. и др. Фотоэлектронный умножитель для черенковских детекторов широких атмосферных ливней // ПТЭ. 2000. N.1. С. 164.
66. B.K.Lubsandorzhiev. Photodetectors of the lake Baikal Neutrino Experiment and TUNKA Air Cherenkov Array // Nucl. Instrum. and Methods. A. 2000. V.442. P.368.
67. Фомин Ю.А., Христиансен Г.Б. // Ядерная физика. 1971. Т.14. Вып.З. С.6426.
68. Ильина Н.П., Калмыков Н.Н., Просин В.В. // Ядерная физика. 1992. Т.55. Вып.10. С.2756.f
69. Chernov D., Korosteleva E., Kuzmichev L. et al. // Int.J.Mod.Phys. 2006. V.A20. P.6799.
70. Dinkerspiler B. An analogue optical link at liquid argon temperature // ATLAS Internal Note. LARGE-NO-08. 1994.
71. Dinkerspiler B. Analogue optical links for the liquid argon calorimeters // Proc. of the First Workshop on Electronics for LHC Experiments. Lisbon 1995. CERN/LHCC/95-96.
72. Karle A., Mikolajski Т., Cochos S. et al. Analog optical transmission of fast photomultiplier pulses over distances of 2 km // Nucl. Instrum. and Methods. 1997. V.A387. P.274.
73. Rose J., Bond I., Karle A. et al. // Nucl. Instrum. and Methods. 2000. Y.A442. P.l 13.
74. Lorenz E., Maier R., Tran T.S., Weissbach P. // Nucl. Instrum. and Methods. 2001. V.A461.P.517.
75. DL515 Flash ADC. Technical Manual. STRUCK Hamburg. 1995.
76. Васильев P.B., Грэсс O.A., Корестелева Е.Е. и др. // Изв. АН Сер. физическая. 2001. T.65.N.11. С. 1640.
77. Корестелева Е.Е. Диссертация к.ф.-м.н. НИИЯФ МГУ 2006. 115с.
78. The Karlsruhe Extensive Air Shower Simulation Code CORSIKA // KfK Report 4998. Kernforschungszentrum. Karlsruhe, 1992.
79. Knapp J., Heck D. // KfK Report 4998. Kernforschungszentrum. Karlsruhe, 1998.
80. Budnev N.M., Chvalaiev O.A., O.A.Gress et al., The Cosmic Ray Masst с I о
81. Composition in the Energy Range 10 -10 eV measured with the Tunka Array: Results and Perspectives // Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.) 2009. Vol.190. P.247.
82. E.E.Korosteleva et al. // Proc. of the 28th ICRC. Tsukuba Japan. 1983. V.l. P.89.
83. Н.М.Буднев, Р.Вишневски, О.А.Грэсс, А.В.Заблоцкий, Е.Е.Корестелева, Л.А.Кузьмичев, Б.К.Лубсандоржиев и др. Массовый состав космических лучей по данным установки ТУНКА-25 // Известия РАН. Серия физическая.2007. T.71.N.4. С.493.
84. Р.В.Васильев, О.А.Грэсс, Е.Е.Коростелева и др. Измерение формы импульса черенковского излучения широких атмосферных ливней в эксперименте ТУНКА // ПТЭ. 2009. №.2. С. 17-23.
85. E.E.Koresteleva et al. // Proc. of the 31st ICRC, Lodz Poland July 2009. ID=492.
86. Н.М.Буднев, Р.Вишневски, О.А.Гресс и др. ТУНКА-133: Статус 2008 гола и развитие методики анализа данных // Известия РАН. Серия физическая. 2009. Т.73. N.5. С.627-631.
87. Budnev N.M., Besson D., Chvalaiev O.A. et al. The Tunka-133 EAS Cherenkov array status, first results and plans // Proc. of the 31st ICRC, Lodz Poland July 20009.
88. S.Nakamura, T.Mukai, M.Senoh // J. Appl. Phys. 76, 8189 (1994).
89. S.Nakamura, M.Senoh, N.Iwasa, S.Nagahama // Jpn.J.Appl.Phys. 34. L1332-1335. (1995).
90. S.Nakamura, M.Senoh, N.Iwasa, S.Nagahama // Jpn. J. Appl. Phys. 34, L797-L799 (1995).
91. S.Nakamura, G.Fasol. The Blue Laser Diode // Springer-Verlag. Berlin Heidelberg 1997.
92. Y.Narukawa et al. // Proc. of MRS Fall Meeting. Boston USA. 1996. N1.9.
93. F.J. Sanchez et al. // MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 1997. V. 1 17.
94. F. Calle et al. MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 1998. V.3. 24.
95. Sipior J., Carter G.M., Lakovicz J.R., Rao G., Rev. Sei. Instrum. 1997. V.68. N.7 P.2666.
96. F J.Sanchez et al. // MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 1997. V.2. 17.
97. Sipior J., Carter G.M., Lakovicz J.R., Rao G., Rev. Sei. Instrum. 1997. V.68. N.7 P.2666.
98. Araki Т., Misawa H. // Rev. Sei. Instrum. 1995. V.66. N.12. P.5469.
99. Шайбонов Б.А. // Дипломная работа. Москва МИФИ. 2005.
100. P.Adamson, L.Barrett, A.Belias et al. On the linearity of the MINOS lightinjection calibration system // Nucl. Instrum. and Methods. 2004. V.A521. P.361-366.
